Summary
Vi beskriver en metode til at optisk fælde mikro-partikler i nanoplasmonic optisk gitter.
Abstract
Den plasmonic Optisk pincet er blevet udviklet for at overvinde diffraktion grænserne for konventionelle langt ager Optisk pincet. Plasmonic optisk gitter består af en bred vifte af nanostrukturer, der udviser en række diffusering og transport adfærd. Vi rapporterer de eksperimentelle procedurer til at fælde mikro-partikler i en simpel firkantet nanoplasmonic optisk gitter. Vi beskriver også opsætningen af optiske og nanofabrication i en nanoplasmonic array. Den optiske potentiale er lavet af lysende et array af guld nanodiscs med en Gaussisk stråle af 980 nm bølgelængde, og spændende plasmon resonans. Bevægelsen af partikler overvåges af fluorescens billeddannelse. En ordning til at undertrykke photothermal konvektion er også beskrevet for at øge brugbar optiske effekt for optimal diffusering. Undertrykkelse af konvektion er opnået ved køling prøven til en lav temperatur, og udnytte nær nul termisk udvidelse koefficient på en vand medium. Både enkelt partikel transport og flere partikel fældefangst indberettes her.
Introduction
Den optiske diffusering af mikro-skala partikler blev oprindeligt udviklet af Arthur Askin i begyndelsen af 1970erne. Lige siden sin opfindelse, er teknikken blevet udviklet som et alsidigt værktøj til mikro- og nanomanipulation1,2. Konventionelle optisk diffusering baseret på langt-ager fokuserer princip er i sagens natur begrænset af diffraktion i sin rumlige indeslutning, hvori diffusering kraften falder drastisk (følgende en ~3 lov for en partikel af radius en) 3. for at overvinde disse diffraktion grænser, har forskere udviklet nær felt optisk diffuseringsteknikker baseret på det flygtige optisk feltet plasmonic metallisk nanostrukturer og derudover diffusering af nanoskala objekter ned til enkelt proteinmolekyler har været demonstreret4,5,6,7,8,9,10,11. Desuden oprettes plasmonic optisk gitter fra arrays af periodiske plasmonic nanostrukturer til at overdrage langtrækkende transport af mikro - og nanopartikler og flere partikel stabling11,12. En væsentlig hindring for at forstyrre diffusering i et optisk gitter er photothermal konvektion og indsats er blevet foretaget til at belyse virkningerne af flere grupper14,15,16,17. Bruger greens funktion, har Baffou et al. beregnet en temperatur profil ved at udforme hver plasmonic nanostrukturer som et punkt opvarmningsanlægget og derefter eksperimentelt bekræftet deres model14. Toussants gruppe har også målt på plasmon-induceret konvektion med partikel Velocimetri15. Forfatterens gruppe er også kendetegnet både nær-felt og convectional transport og demonstreret en teknisk strategi for at undertrykke photothermal konvektion16,17.
Her præsenterer vi design af en optisk setup og en detaljeret procedure specifikt for fældefangst eksperimenter med plasmonic optisk gitter. Den optiske potentiale var lavet af lysende et array af guld nanodiscs med et løst fokuseret Gaussisk stråle. En ordning til at undertrykke photothermal konvektion ved nedkøling prøven til en lav temperatur (~ 4 ° C) for optimal fældefangst er også beskrive her17. Under Boussinesq tilnærmelse, en størrelsesorden estimat for den naturlige konvektion velocity u er givet ved u ~L2 gβΔT / v, hvor L er længde omfanget af varmekilde og Δ T er temperaturstigning i forhold til reference på grund af varmen. g og β er tyngdeaccelerationen og termisk ekspansion koefficient, henholdsvis. Ved temperaturer nær 4 ° C, densitet af vand medium udstiller unormal temperatur afhængighed og dette udmønter sig i en nær nul termisk ekspansion koefficient og derfor en forsvindende lille photothermal konvektion.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. optisk Setup
Bemærk: princippet om den optiske setup er illustreret i figur 1.
- Sæt op den optisk pincet kit (Se Tabel af materialer) og fluorescens-modulet (Se Tabel af materialer) som pr deres manualer. Tilslut en 470 nm blue light emitting diode (LED) lys kilde til modulet fluorescerende.
- Erstatte den høje numerisk blænde (NA) (NA = 1,25, forstørrelse 100 x) oliebestandighedsobjektet af en lang arbejdstid afstand (WD) mikroskop mål (brændvidde 3,6 mm, WD = 10.6 mm, NA = 0,5).
- Fjerne linsen i afsnittet bom ekspansion i de forsamlede kit at opnå løs fokusering af laserstrålen.
- Tur på strømforsyningen og aktuelt for laser diode bølgelængde 980 nm og brug de ladede kombineret enhed (CCD) kamera at sørge for laserstrålen er justeret korrekt.
Bemærk: Hvis laserstrålen er godt afstemt, CCD kamera vil læse en Gaussisk spot.
2. Nanofabrication
- markør fabrikation.
Bemærk: Markører vil bidrage til at placere matrixen nanoplasmonic under den fabrikationsproces og de efterfølgende fældefangst eksperiment. Detaljeret processen er illustreret i tillægs figur 1.- Indbetaling 40 nm indium tin oxid (ITO) film på en coverslip af tykkelse 0,17 mm med sputtering.
Bemærk: ITO filmen vil hjælpe decharge elektroner under den efterfølgende e-beam litografi proces. - Spin coat en 8 µm lag af positive photoresist med spin hastighed 4000 rpm og gang 30 s med et spin coater.
- Blød bage prøve ved 90 ° C i 5 min og justere sample med photomask for markør og udsætte prøven til UV-lys for 80 s i maske aligner.
- Blød prøven i photoresist udvikler til 130 s.
- Deponere et 2 nm lag af chrom og en 40 nm lag guld på prøven ved hjælp af termisk fordampning. 18
- suge prøven i acetone og placere det i en ultralyds renere opererer på 43 kHz og 150 W i 5 min til lift off
- Indbetaling 40 nm indium tin oxid (ITO) film på en coverslip af tykkelse 0,17 mm med sputtering.
- Fabrikation af Nanoplasmonic Array
- Spin frakke et lag af e-beam modstå PMMA 120K med spin hastighed 5000 rpm for 30 s på et spin coater. Bage prøve ved 160 ° C i 3 min på en varmeplade.
- Spin pels endnu et lag af e-beam modstå PMMA 960K med spin hastighed 5000 rpm for 30 s på et spin coater. Bage prøve ved 160 ° C i 3 min på en varmeplade.
- Brug e-stråle skribent at eksponere e-beam modstå med acceleration spænding 30 kV og dosis 400 C/cm 2.
- Deponere en 40 nm lag af guld i en termisk fordamper.
- Gennemvæd prøven i acetone og læg det i en ultralydsrenser for 5 min til lift off
3. Eksempel køling system og dets temperatur kalibrering
Bemærk: eksemplet køling scenografi er vist i tillægs figur 2.
- Gør Driverkredsløbet for eksempel køling
- placere modstande, bipolar junction transistorer og power metal oxide felt effekt transistorer på den brugerdefinerede kredsløb ved at følge Ledningsdiagram i supplerende figur 3 . Lodde alle disse komponenter med loddekolbe.
- Tilslut ledninger mellem havnens kontrol af kredsløb og elektroniske kontrol bord. Tilslut ledninger mellem outputport af kredsløb og thermoelectrical køling (TEC) element. Placere elementet TEC på prøve scenen med varme synker.
Bemærk: The TEC element har et hul i midten til at tillade laserstråle til at gå. - Tilslut ledninger fra kredsløb til 5 V strømforsyning. Bruge den fremadrettede infrarød kamera til at overvåge temperatur for at kontrollere, hvis de thermoelectrical køling er korrekt nedkøling.
- Kalibrering af målte temperatur i den fremadrettede infrarød kamera og modstand temperatur detektor (FTU) termometer.
- FTU-termometer på en tom coverslip og anvende en lille mængde af termisk pasta på den for at sikre korrekt varmekontakt mellem FTU-termometer og coverslip.
- Ændre indstillingen output magt af den elektroniske kontrolkredsløb til TEC element ved at ændre maksimalydelse af pulse bredde modulation indstilling og venter på 3 min for at sikre stabil temperatur er nået. Læse temperaturen ved hjælp af FTU-termometer.
- Tur på forward søger infrarød kamera og monitor temperaturen. Gentag dette på forskellige output strømindstillinger at få temperaturen kalibreringskurven. En repræsentativ temperatur kalibreringskurve er vist i supplerende figur 4.
Bemærk: Det er afgørende at gøre kalibrering mellem FTU-termometer og den frem søger infrarød kamera fordi temperaturmåling for den fremadrettede infrarød kamera skal være korrekt at sikre den korrekte temperatur er nået.
4. Diffusering af mikropartikler
- Dilute mikro polystyren partikler af diameter 2 µm i ionbyttet vand i en microcentrifugetube med passende volumen ratio.
Bemærk: Koncentrationen af mikro partikler kan reguleres efter formålet med forsøget. Mens lavere koncentration giver en prøve tidsintervallet mellem enkelt partikel fældefangst begivenheder, vil højere koncentration forkorte tid for flere partikel diffusering. For enkelt partikel diffusering, en typisk koncentration er ~0.05% (w/v). - Sætter eksemplet med nanoplasmonic array på scenen og tænde en 470 nm førte som fluorescens lyskilde og manuelt indstille effekt på 5 mW til lysfelt imaging.
- Brug af markør til at lokalisere nanoplasmonic array, justere prøven, og bruge CCD kamera for at sikre arrayet er midt i det pågældende område på computerskærmen.
- Give afkald 10 µL af de fortyndede mikro partikler af diameter 2 µm på prøve med en mikro pipette.
- Tænder på den aktuelle levering til laserdiode af bølgelængde 980 nm til at vække den plasmonic resonans af array med en magt i området ~ 1 mW til 10 mW.
- Manuelt Tænd strømforsyningen til den elektroniske styrekort afkøle prøven til en stabil temperatur ~ 4 ° C.
- i viewer-softwaren, skal du klikke på den " optage video " rækkefølge for at åbne dialogen optagelse. Klik på den " post " knappen for at starte videooptagelse 1.5 af bevægelse af de mikro partikler på en rammehastighed på 10 rammer/s over prøven under indflydelse af laserstråle ved hjælp af CCD-kamera. Klik på den " stop "-knappen for at stoppe optagelsen. Se Video 1.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Enkelt partikel baner blev optaget af en CCD kamera i vores eksperiment og billederne blev derefter behandlet med et brugerdefineret program til at udtrække hver partikel bane16. Repræsentative resultater vises i figur 3 og Video 1 for mikro-kugler med diameter på 2 µm. flere partikel staffage inde optisk gitter blev observeret. Successive billeder udvundet fra en repræsentativ motion video af partiklen vises i figur 4. For mikropartikler af diameter 2 µm, kan man se klynger af mikropartikler dannet en sekskantet tæt pakket (hcp) struktur. Prøven kan også være varmet ved at slå TEC element; den observerede fanget klynge ville sprede på grund af photothermal konvektion.
Figur 1 . Skematisk af den optiske Setup.
En Gaussisk stråle med bølgelængde af 980 nm bruges til at vække plasmonic optisk gitter prøven at skabe fældefangst potentielle. En fiber-kombineret laserdiode bølgelængde 980 nm går gennem spejlet (M1), bliver løst fokuseret af lang arbejder afstanden mikroskop mål, og ophidser den plasmonic prøve. Fluorescerende billedet er taget med samme mål sammen med dichroic spejl (DM) og emission filter (UDDRIVNINGSFRAKTION) under fluorescerende excitation på 470 nm fra lysemitterende diode lyskilde. Excitation lys på 980 nm for den plasmonic resonans er farvekodede 'lyserød' og den excitations- og lys til fluorescerende imaging er farvekodede 'blue' og 'green', henholdsvis. Forslaget er indspillet med CCD-kamera. Thermoelectrical køling (TEC) bruges til at køle ned prøven. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2 . Nano Plasmonic Array fabrikeret af E-Beam litografi. (en) markør design bruges til at finde og bringe prøven i e-stråle skribent. Dimensioner af den ydre hvide firkant er 22 mm x 22 mm, og det ringformede markør i indsatsen har en ydre diameter på 150 µm og indre diameter på 50 µm. (b) et scanning elektron mikroskop (SEM) billede af en nanoplasmonic array. En simpel firkantet vifte af 22 x 22 nanodiscs er brugt og hver enhed celle indeholder en nanodisc af tykkelse 40 nm og diameter 550 nm med Inter disc afstand 750 nm. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3 . Enkelt partikel baner. Baner af mikropartikler udvundet ved hjælp af billedbehandling er udarbejdet ved hjælp af barycentrum algoritme16 og vises her. Den optiske effekt anvendes til plasmonic resonans excitation på 980 nm er 5 mW. En skalalinjen på 2 µm vises. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4 . Billede af en klynge af mikropartikler fanget i Plasmonic optisk gitter og ophobning af mikropartikler Over tid ved en optisk effekt på 5 mW. (en) Successive fluorescens billeder viser ophobning af fanget mikropartikler danne klynger. En hvid skalalinjen af 4 µm vises. (b) antallet af fangne mikropartikler versus tid, udvundet af (en). Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Video 1. Optisk diffusering og partikel ophobning af 2 µm partikler. Den optiske effekt anvendes til plasmonic resonans excitation på 980 nm er 5 mW. Venligst klik her for at se denne video. (Højreklik for at hente.)
Supplerende figur 1. Proces Flow af Nanofabrication af Nanoplasmonic Array. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Supplerende figur 2. Eksempel køling scenografi. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Supplerende figur 3. Driverkredsløbet for eksempel køling. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Supplerende figur 4. Temperatur kalibrering mellem en FTU-termometer og fremtiden infrarødt kamera. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Proceduren beskrevet her gør det muligt for læseren at pålideligt reproducere diffusering på daglig basis. En generel empiriske retningslinje at designe et brugbart optisk gitter er at bruge en tilsvarende størrelse for plasmonic nanoarray, interdisc afstand, og fanget partikelstørrelse. I forhold til en enkelt, isoleret plasmonic nanostrukturer, øger optisk gitterdesign sammen med den høje optiske effekt ved køling prøven til ~ 4 ° C anvendes her meget sandsynligheden for diffusering. Hvis godt adskilt, plasmonic nanostrukturer bruges som diffusering websteder, skal man vente i lang tid for migration af mikropartikler i effektiv fældefangst volumen nær den plasmonic nanostrukturer. Også, øge Inter disc afstanden kritisk mindsker sandsynligheden for partikel ophobning. Bemærk at man kan også udføre fældefangst eksperiment med plasmonic optisk gitter ved stuetemperatur, men den anvendelige optiske effekt vil være meget begrænset. Også, ved lav optisk effekt, er man nødt til at vente i lang tid (~ 1 h) for hændelsen microparticle diffusering. Typisk, vi tænder på CCD kamera til at optage partikel bevægelse og afhente hændelsen fældefangst inden for et par minutter. Gældende laser power er så højt som 10 mW. Ved en høj optisk effekt, kan der konstateres en stor sammenlægning af mikropartikler.
Den kritiske trin til succes i dette arbejde er cool ned i plasmonic på en skrøbelig dække slip og overvåge samtidig prøve temperatur. Vi har valgt den frem søger infrarød kamera til at måle temperaturen, fordi sådan en ikke-kontakt måling reducerer chancen for at prøve brud. Alternativt kan man vælge at lim på en lille størrelse termometer og bruge det til at måle temperaturen i realtid. Kølesystemet sammen med ikke-kontakt temperaturmåling er generelt gældende for optisk mikroskopi ved lave temperaturer.
Selv om demonstrationen her er gjort med micron mellemstore partikler, kan man fælde nanopartikler ved skalering ned både størrelse og afstand af det guld nanodiscs. Hidtil, fældefangst af nanopartikler med diametre så lille som 100 nm har været demonstreret19. Dette er dog ikke den yderste grænse af plasmonic optisk gitter. Også, vi har brugt en lang arbejdstid afstand mikroskop mål at lette den mekaniske design af prøven fase. Bedre opløsning i imaging kan opnås ved at erstatte det med en oliebestandighedsobjektet mikroskop. Ved at skalere ned dimensioner af den plasmonic nanostrukturer, bør fangst af selv mindre nanopartikler også lade sig gøre. 20 , 21
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ikke noget at oplyse.
Acknowledgments
Y. T. Y. vil gerne anerkende finansieringen støtte fra ministeriet for videnskab og teknologi under grant numre mest 105-2221-E-007-MY3 og National Tsing Hua University under grant numre 105N518CE1 og 106N518CE1.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Thermoelectric cooling element | Thorlabs | TEC 1.4-6 | TEC element for sample cooling |
| RTD thermometer | Omega Engineering | RTD Thermometer 969C | |
| Forward looking infrared camera | FLIR | FLIR One | IR camera for temperature monitoring |
| light emitting diode light source | Touchbright | Light source for illumination for fluorescent imaging | |
| Long working distance objective | Olympus | LMPLFLN | For illuminating the sample and imaging |
| Optical trap kit | Thorlabs | OTKB/M | |
| Cover slip | thickness 0.17 mm | ||
| Scanning electron microscope | Hitachi | SEM-Hitachi S3400N | |
| Electron beam blanker | DEBEN | PCD beam blanker | the blanker is added to the scanning electron microscope |
| Thermal evaporator | SYSKEY Technology | ||
| Mask aligner | Karl Suss | MJB 3 | For marker fabrication |
| Electron beam resist | Sigma Alrich | PMMA 120K | For e-beam lithography |
| Electron beam resist | Sigma Alrich | PMMA 960K | For e-beam lithography |
| Fluoresent labeled polystyrene microspheres | Polyscience | 2 um diameter | |
| Bipolar transistor | Mouser | 2N3904 | quantity 2 for TEC driver circuit |
| Bipolar transistor | Mouser | 2N3906 | quantity 2 for TEC driver circuit |
| MOSFET power transistor | Mouser | IRF5305 | quantity 2 for TEC driver circuit |
| MOSFET power transistor | Mouser | IRF131ON | quantity 2 for TEC driver circuit |
| 10 kOhm resistor | Mouser | quantity 6 for TEC driver circuit | |
| 910 Ohm resistor | Mouser | quantity 2 for TEC driver circuit | |
| Photoresist | Microchemicals | AZ4620 | For marker fabrication |
| Acetone | Sigma Alrich | For marker fabrication | |
| Fluorescence Module for the OTKB/M, Metric Threads | Thorlabs | OTKB-FL/M | |
| Fluorescent filter set | Thorlabs | MDF-FITC | For Fluorescein Isothiocyanate (FITC) |
| Ultrasonic cleaner | Delta | DC150H | For the lift off step |
References
- Ashkin, A., Dziedzic, J. M., Bjorkholm, J. E., Chu, S. Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles. Opt.Lett. 11, 288-290 (1986).
- Grier, D. A revolution in optical manipulation. Nature. 424, 21-27 (2003).
- Wright, W. H., Sonek, G. J., Berns, M. W. Radiation on trapping forces with optical tweezers. Appl. Phys. Lett. 63, 715-717 (1993).
- Kawata, S., Tani, T. Optically driven Mie particles in an evanescent field along a channel waveguide. Opt. Lett. 21, 1768-1770 (1996).
- Yang, A. H. J., Moore, S. D., Schmit, B. S., Klug, M., Lipson, M., Erickson, D. Optical Manipulation of nanoparticles and biomolecules in sub-wavelength slot waveguides. Nature. 457, 71-75 (2009).
- Lin, S., Schonbrun, E., Crozier, K. Optical manipulation with planar silicon microring resonators. Nano Lett. 10, 2408-2411 (2010).
- Mandal, S., Serey, X., Erickson, D. Nanomanipulation using silicon photonic crystal resonators. Nano Lett. 2010 (10), 99-104 (2010).
- Lin, S., Crozier, K. Planar silicon microrings as wavelength- multiplexed optical traps for storing and sensing particles. Lab Chip. 11, 4047-4051 (2011).
- Juan, M. L., Righini, M., Quidant, M., R, Plasmonic nano optical tweezers. Nat. Photon. 5, 349-356 (2011).
- Huang, J. S., Yang, Y. -T. The origin and future of plasmonic optical tweezer. Nanomaterials. 5, 1048-1065 (2015).
- Pang, Y., Gordon, R. Optical trapping of single protein. Nano Lett. 12, 402-406 (2012).
- Chen, K. Y., Lee, A. T., Hung, C. C., Huang, J. S., Yang, Y. -T. Transport and trapping in two-dimensional nanoscale plasmonic optical lattice. Nano Lett. 13, 4118-4122 (2013).
- Cuche, A., Stein, B., Canguier-Durand, A., Devaux, E., Genet, C., Ebbesen, T. W. Brownian motion in a designer force field: Dynamical effects of negative refraction on nanoparticles. Nano Lett. 12, 4329-4332 (2012).
- Baffou, G., Berto, P., Urena, E. B., Quidant, R., Monnert, S. J., Polleux, J., Righeault, H.
- Roxworthy, B. J., Bhuiya, A. M., Vanka, S. P., Toussant, K. C. Understanding and controlling plasmon-induced convection. Nat. Commun. 5, (2014).
- Yang, T. P., Yossifon, G., Yang, Y. -T. Characterization of the near-field and convectional transport behavior of micro and nano particles in nanoscale plasmonic optical lattice. Biomicrofluidics. 10, 034102 (2016).
- Chen, Y. -C., Yossifon, G., Yang, Y. -T. Supression of phtothermal convection of micro particles in two dimensional nanoplamonic optical lattice. Appl. Phys. Lett. 109, 201111 (2016).
- Smith, D. Thin film deposition: principles and practice. , McGraw-Hill Education. New York, New York. (1995).
- Zehtabi-Oskuie, A., Bergeron, J. G., Gordon, R. Flow-dependent double-nanohole optical trapping of 20 nm polystyrene nanospheres. Sci. Rep. 2, 966 (2012).
- Zhang, W., Huang, L., Santschi, C., Martin, O. J. F. Trapping and sensing 10 nm metal nanoparticles using plasmonic dipole antennas. Nano Lett. 10, 1006-1011 (2010).
- Pang, Y., Gordon, R. Optical trapping of 12 nm dielectric spheres using double-nanoholes in a gold film. Nano Lett. 2011 (11), 3763-3767 (2011).
